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汽車輕量化難在哪兒?

2019-05-28232人次瀏覽
??汽車輕量化是未來汽車產業發展的大趨勢之一,也是一個循序漸進的過程。然而,業界呼吁了多年的汽車輕量化,尤其是輕量化材料的應用,到底難在哪兒?

??輕量化設計基本過關

??據國家統計局數據顯示,2017年末,中國民用汽車保有量為2.09億輛,是1978年的154倍。隨之而來的能源消耗量也在不斷增長。據業內統計估測,汽車整車重量若減少10%,就能節油6%-8%,油耗降低每百公里0.3升-0.6升,氧化碳排放降低5克-8克。據《中國汽車安全發展報告(2017)》顯示,到2020年,中國商用車自重若能比2007年的水平平均降低20%-35%,則每年可節油2500萬-3000萬噸。從上述數據來看,節油降耗是汽車輕量化最主要的目的。

??“汽車輕量化技術主要涉及整體的結構設計、使用先進材料、工藝三方面。”清華大學汽車工程系周青教授這樣告訴記者。由于輕量化是國內汽車自主設計的一部分,國內汽車輕量化現狀與國內汽車設計現狀同步。過去十幾年,中國的汽車市場發展很快,汽車產量名列前茅。近四五年來,我國自主技術和自主品牌取得了很大進步。相對來說,國內廠商如上汽、吉利、長城、廣汽、長安等在車身技術方面,已經能夠自主設計。

??汽車技術分為車身、底盤、動力系統三大部分。它們都涉及輕量化的問題,而我們通常所說的輕量化主要針對的是車身。總體來說,與10年前相比,中國基本上解決了車身包括與之相關的輕量化的設計問題,但并未達到國際先進水平。

??成本是最大阻力

??2016年10月26日,中國汽車工程學會發布了《節能與新能源汽車技術路線圖》,其中包括了汽車輕量化技術路線圖,并指出高強鋼、第三代汽車鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料技術等是重點發展的材料和技術。鎂合金、碳纖維復合材料技術更是遠期發展的重點材料技術。在現實中,它們也是熱門的輕量化材料。

??高級跑車、賽車率先使用碳纖維復合材料,使得車身更加輕盈,但成本也十分高昂。在商用車中,寶馬i8率先試水,車身采用碳纖維復合材料。國內奇瑞汽車開發出一款碳纖維電動汽車,采用碳纖維材料后的車身僅重218公斤,比金屬車身的418公斤減重48%。北京汽車、上海汽車公司也在典型部件上采用碳纖維復合材料進行開發與應用。

??不過,對于碳纖維復合材料在汽車上的應用,業界出現了兩種涇渭分明的觀點。

??“在汽車輕量化解決方案中,碳纖維復合材料是一個重要選擇方向和解決方案。”香港科技大學霍英東研究院先進材料研發部總監呂冬告訴記者,其競爭對手包括輕質類金屬,如鎂合金、鋁合金的解決方案。碳纖維復合材料的優勢是比強度和比鋼度都比這些材料高。

??“我不看好碳纖維復合材料在汽車輕量化的前景,尤其是做車身材料。成本是最大的阻礙。”廣州金發碳纖維新材料發展有限公司技術總監范欣愉這樣告訴記者。

??汽車廠商采購的某種材料的動力和意愿是它能否降低整車成本。一位不愿透露姓名的業內人告訴記者,很多人都盯著車身的輕量化,但是一輛整車鋼結構件的總成本不過數千元。其他材料若想替換低成本的鋼結構材料非常困難。

??其實,越來越多的汽車內部件,如門板、隔板、后備箱的組件等都采用了碳纖維復合材料。呂冬指出,制造效率、成本和損壞后維修難是碳纖維復合材料應用在汽車上的幾大障礙。“一般來說,碳纖維復合材料的成本比金屬材料高出2倍-3倍以上,當然還取決于復合材料的用量。而且,汽車一旦被撞擊,碳纖維復合材料要整體換掉,不像其他金屬材料,通過敲打還可以恢復原形。這可能也是寶馬i系列車又將碳纖維復合材料換回輕質金屬材料的原因之一。”

??面臨更多挑戰

??在新材料的應用上,我國與國外處于同一起跑線上。從更先進的材料來看,如熱成形鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料,國外在研究和應用上比我們早20年左右。

??“新材料的應用要經歷一個漫長的過程。大家別總盯著車身輕量化,還有很多內飾、座椅,包括發動機周邊各種零部件的輕量化都有一定的市場空間。”范欣愉如是建議。

??《節能與新能源汽車技術路線圖》提出,到2025年,碳纖維使用量占車重2%,成本比2020年降低50%(2020年碳纖維成本比2015年降低50%)。碳纖維的成本降低50%是一個較大的挑戰。因為我國掌握的碳纖維制造技術仍不完善。日本碳纖維的成本比國內更低。這是碳纖維原絲制備技術經過幾十年迭代,才能不斷地降低成本。未來我國在碳纖維原絲制備技術、燒結技術等方面仍需繼續突破,以更高水平制造碳纖維的同時,降低能耗和廢品率。只有碳纖維的成本不斷降低,碳纖維復合材料的使用率才會提高。

??此外,我們還可以從碰撞的角度來思考碳纖維復合材料在汽車輕量化的應用前景。周青認為,新材料和新工藝(熱成形鋼、黏接)的另一個技術挑戰是如何讓它們的力學性能表征更精細,仿真數據如何更精確,從而使計算機仿真的結果更加可靠。在碰撞載荷下,我們需要獲取大變形力學性能、斷裂性能等的表征數據。這些數據的獲取不能僅憑實驗,而且在CAE(計算機輔助工程)進行輔助設計時,必須輸入準確的數據,而這本身就是一項較大的挑戰。

??舉例來說,當發生碰撞時,碳纖維的裂紋是無窮多條的,最終會碎成粉末。碳纖維復合材料碰撞變形的吸能模式,是通過自身撞得粉碎來吸收能量,這與鋼、鋁、鎂等材料通過結構大變形吸收能量截然不同。從這點來看,碳纖維復合材料幾乎可以用于車上所有的結構。因為它不發生大變形時靠自身的鋼度、大變形時靠斷裂,當然它最大缺點就是成本高。

??碳纖維復合材料的最大挑戰是斷裂表征和預測仿真。這是一個更值得深入的學術挑戰。如果在學術上無法取得突破,一線工程師只能更多地依賴實驗和結構部件驗證,也影響了它的開發效率。而學術研究可以幫助工程師減少實驗驗證的次數,從而提高開發效率。

??在輕量化趨勢中,碳纖維復合材料可以與金屬材料進行一定的復合。一方面,可以保證材料的強度,并達到減重的效果,另一方面,可減少碳纖維復合材料的成本。然而,這個方向也頗具挑戰性,需要精細地了解它的設計和對結構變形和承載情況,以及在工藝上需要發展更多的方法,把兩種不同的材料連接起來。比如,黏接工藝可以把金屬和非金屬材料連接起來。這是一種新技術,在汽車上已經開始應用,但并不普遍。

??鎂合金應因需施材

??“由于中國鎂的儲量多,我們更關注鎂在產業中的應用。”周青說。

??但目前來看,我國汽車采用鎂合金與國際先進水平存在很大差距。《中國汽車安全發展報告(2017)》指出,北美地區每輛汽車的鎂合金用量平均為3.5kg,歐洲先進水平則能達到14kg,而國產汽車每輛車的用量僅為1.5kg。

??在《節能與新能源汽車技術路線圖》的汽車輕量化路線圖中提出到2020年,單車用鎂量達到15kg。從此目標來看,鎂合金的應用還有很大空間。

??由于鎂合金材料較脆,最大的挑戰仍是斷裂。它在碰撞載荷下會發生大變形。周青教授在實驗中發現,鎂合金比鋁合金、高強鋼脆,但沒有碳纖維復合材料脆。他認為,由于鎂合金的這一特性,它不太適合用于大變形的結構,如保險杠、門檻梁、B柱等。若用鎂合金做車身的承載結構,特別是外部承載結構,它直接接觸碰撞后,會帶來我們很多的麻煩。

??然而,鎂合金可以用于方向盤、座椅骨架、儀表盤的支撐結構等,這些部件在碰撞的時候,不需要承受大變形的壓力,因而鎂合金在上述部件的應用潛力很大。周青認為,車輪輪轂可以更多地采用鋁合金,而鎂合金在車輪輪轂的應用挑戰較大。這帶給我們的啟示是,把材料的不同特性用在不同部件上,每種材料都能在汽車領域找到合適的應用機會。

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